电子设计竞赛讲座之无线通信系统-2011

2020/2/9电子设计竞赛培训讲座之无线通信系统福州大学通信工程系许志猛主要内容电子设计竞赛无线通信类题目概述电子系统设计步骤电子系统设计常用工具讨论导言大学生电子设计竞赛从前几届全国电子设计竞赛的试题来看，可以归纳成5类：电源类信号源类无线电类仪器类数据采集与控制类从各个题目看，不是简单的电路设计，而是“系统设计”历届无线电类题目2009第九届无线环境监测模拟装置（D题）设计并制作一个无线环境监测模拟装置，实现对周边温度和光照信息的探测。该装置由1个监测终端和不多于255个探测节点组成（实际制作2个）。监测终端和探测节点均含一套无线收发电路，要求具有无线传输数据功能，收发共用一个天线。2007第八届无线识别装置（B题）设计制作一套无线识别装置。该装置由阅读器、应答器和耦合线圈组成。阅读器能识别应答器的有无、编码和存储信息。不得使用现有射频识别卡或用于识别的专用芯片。2005第七届单工无线呼叫系统（D题）设计并制作一个单工无线呼叫系统，实现主站至从站间的单工语音及数据传输业务。2003第六届电压控制LC振荡器（A题）输出频率范围：15MHz～35MHz历届无线电类题目(Cont.)2001第五届F题调频收音机用SONY公司提供的FM/AM收音机集成芯片CXA1019和锁相频率合成调谐集成芯片BU2614，制作一台调频收音机。1999第四届D题短波调频接收机短波调频接收机，接收频率（f0）范围：8MHz～10MHz。1997第三届D题调幅广播收音机利用所提供的元器件（附有资料）制作一个中波广播收音机。接收频率范围：540kHz～1600kHz；1995第二届题目三简易无线电遥控系统设计并制作无线电遥控发射机和接收机。2009年赛题解析探测节点有编号预置功能；温度测量范围为0℃～100℃，绝对误差小于2℃；光照信息仅要求测量光的有无；探测节点采用两节1.5V干电池串联，单电源供电；探测时延不大于5s，距离D不小于10cm。探测节点增加信息的转发功能；监测终端电源供给功率≤1W，使探测距离D+D1达到50cm；降低各探测节点的功耗，以延长干电池的供电时间。探测节点A探测节点B监测终端D图1探测节点分布示意图探测节点A探测节点B监测终端DD1图2节点转发功能示意图要点分析1对多通信，需要设计数据帧格式；转发功能，需要设计传输协议；低功耗设计，电池供电，设计芯片的选择和电源的设计；不能采用现成收发模块，需要设计无线收发电路。设计方案讨论温度和光照测量光照：开关信号，可用光敏二/三极管（ST-1KL3B），光敏电阻（电阻分压或加比较器或三极管构成开关信号）或专用开关传感器On9668温度：精度不高，为了实现低功耗和简化电路，采用DS18B20数字温度传感器，省去ADC等电路，直接用单片机可以读取数字温度，精度和测量范围满足题目要求。温度测量范围为－55℃～＋125℃,可编程为9位～12位A/D转换精度，测温分辨率可达0.0625℃温度测量范围为－55℃～＋125℃,可编程为9位～12位A/D转换精度，测温分辨率可达0.0625℃设计方案讨论电源监测终端使用外接单电源供电，可以直接采用实验室电源，电源电压也没有具体限制。在电压输入端，可以采用稳压芯片。具体型号可用LM317，LM196等探测节点使用两节1.5V干电池串联，单电源供电。由于现有的大部分元器件工作电压都是3.3V和5V，电压上会涉及升压的操作。可采用专用DC-DC升压芯片，如MC33063，MAX1771，MAX1674，uc3843等。由于没有限制，可采用专用的DC-DC逆变模块，如A0505S设计方案讨论控制器不计功耗，可采用51系列单片机，开发环境比较熟悉对功耗要求较高，可采用TI的MSP430系列其余可选ATMEL的ATmega16系列PIC系列显示部件显示内容不多，可采用LCD1602字符液晶，编程比采用LED数码管要方便设计方案讨论无线收发电路采用OOK方案比较简单，也可采用FSK方案收发直接的切换可采用继电器，默认都处于接收状态R11MΩ18.432MHzTXDC120pFC30.1uFHMC478132,4C410uFC50.1uFL110uHR28Ω/0.5WC60.1uFC7100pFC220pFL2D3.5T5VDD发射部分电路设计方案讨论无线收发电路L2D3.5T5C95.1nFC8100pFVPOSIREFRFINPDWNCOMMFLTRVRMSSREF12345678AD8361+-VCCRXDR324ΩR510kΩR410kΩC1080pFR662ΩC131nFR7470ΩC11100pFL34.7uHC120.1uFR851Ω/0.5WC140.1uFC181nFR104.7kΩR95kΩ接收电路三极管选频放大有效值检测比较输出整形设计方案讨论无线收发电路2并行增加驱动LM393比较器Op4340运放多级放大二极管检波设计方案讨论无线收发电路3设计方案讨论数据帧结构低层传输采用串口，可以利用控制器的UART接口，并容易进行编程实现在此基础上，根据题目要求，设计如下帧结构帧头源ID信息内容检验1Byte1Byte2Byte1Byte生存时间1Byte设计方案讨论数据传输协议路由协议分析设计目标要求系统具有中继功能。考虑到实现复杂度的限制，拟采用洪泛（Flooding）机制。Flooding是一种简单的数据转发机制，它不需要专门的控制分组，即可以完成多跳路由功能。基本原理是节点收到数据后，如果目的节点不是自己且该分组的生存时间（TTL）不为０，则转发出去。MAC协议分析设计目标是避免节点之间的冲突。本题中，主要采用随机退避和多次重传的方法，同时，为简化设计，不采用握手机制。有两个关键点：1）同步；2）随机退避。设计方案讨论数据传输协议MAC协议分析（Cont.）同步数据帧都具有相同长度，可以把时间分成时隙，每个时隙是无误发送一帧的时间，记作t0。监测终端周期地发送信标分组，所有节点在接入信道时总是先处于接收状态，在收到信标后与之同步，并在下一个时隙转发信标。所有节点只在时隙起始点发送。BDDBtD……T0信标数据设计方案讨论数据传输协议MAC协议分析（Cont.）随机退避探测节点随机选择k个时隙，在每个时隙发送一次原始数据的副本。只要其中有1个分组被正确接收，则发送成功。实际上，成功率与发送次数、参与信道竞争的节点数和允许的最大时延等因素都有关。2007年无线通信类课题解析无线识别装置（B题）任务图1无线识别装置方框图设计制作一套无线识别装置。该装置由阅读器、应答器和耦合线圈组成，其方框图参见图1。阅读器能识别应答器的有无、编码和存储信息。无线识别装置（B题）任务（Cont.）装置中阅读器、应答器均具有无线传输功能，频率和调制方式自由选定。不得使用现有射频识别卡或用于识别的专用芯片。装置中的耦合线圈为圆形空芯线圈，用直径不大于1mm的漆包线或有绝缘外皮的导线密绕10圈制成。线圈直径为6.6±0.5cm（可用直径6.6cm左右的易拉罐作为骨架，绕好取下，用绝缘胶带固定即可）。线圈间的介质为空气。两个耦合线圈最接近部分的间距定义为D。阅读器、应答器不得使用其他耦合方式。无线识别装置（B题）要求基本要求应答器采用两节1.5V干电池供电，阅读器用外接单电源供电。阅读器采用发光二极管显示识别结果，能在D尽可能大的情况下，识别应答器的有无。识别正确率≥80%，识别时间≤5秒，耦合线圈间距D≥5cm。应答器增加编码预置功能，可以用开关预置四位二进制编码。阅读器能正确识别并显示应答器的预置编码。显示正确率≥80%，响应时间≤5秒，耦合线圈间距D≥5cm。无线识别装置（B题）要求（Cont.）发挥部分应答器所需电源能量全部从耦合线圈获得（通过对耦合到的信号进行整流滤波得到能量），不允许使用电池及内部含有电池的集成电路。阅读器能正确读出并显示应答器上预置的四位二进制编码。显示正确率≥80%，响应时间≤5秒，耦合线圈间距D≥5cm。阅读器采用单电源供电，在识别状态时，电源供给功率≤2W。在显示编码正确率≥80%、响应时间≤5秒的条件下，尽可能增加耦合线圈间距D。应答器增加信息存储功能，其存储容量大于等于两个四位二进制数。装置断电后，应答器存储的信息不丢失。无线识别装置具有在阅读器端写入、读出应答器存储信息的功能。其他。题目背景先从自动识别技术说起……目前，实际应用中的自动识别技术主要有：条形码IC卡RFID生物特征识别：指纹、人脸、虹膜…………自动识别技术是以计算机技术和通信技术为基础的综合性科学技术，它是信息数据自动识读、自动采集到计算机的重要方法和手段。无线射频识别技术（RadioFrequencyIdenfication，RFID）是一种非接触的自动识别技术，其基本原理是利用射频信号和空间耦合（电感或电磁耦合）或雷达反射的传输特性，实现对被识别物体的自动识别。题目分析此为功能性题目。题目的初衷是要做一个无线读卡装置。（RFID）此题最简单的方法是用一对现有的收发芯片，配上题目给出的天线。此题基本要求部分是进行简单的数字通信，发挥部分主要是无线功率传输的问题。解决的方法是，可在发送端不断地进行高频等幅波的发射，在接收端接收其高频能量，检波成直流分量并存储起来，可用电容作为存储元件。由于题目要求传输的信息量很小，可有较多时间进行高频能量的传输。此题的结果可能有三种：一是不能传输信息也就是失败；二是只完成基本部分；三是可进行无源接收。课题设计——方案论证与比较方案0采用供能、通信相分离的方式来实现无线识别。该方案的原理就是将供能和通信分开，用线圈的耦合作用实现应答器的无源供电；而通信则使用无线收发电路制作，比如应用10米波段的MC2833、MC3363收发电路或者315MHz、433MHz等频段的无线数据传输模块来制作。这样的设计，线圈主要完成能量的传输，比较容易实现，而信号的耦合则是通过其他无线通信途径来完成的，与题目中的“不依靠任何其他耦合方式”这一要求不符。课题设计——方案论证与比较（Cont.）方案一采用单片机与有源晶振振荡器组成无线识别系统。阅读器：用串口通信方式扫描应答信号，接受到应答信号后，判别其是否有效，若有效则显示应答器信息，并蜂鸣提示。应答器：当靠近阅读器时，通过线圈耦合获得工作能量，读取拨码开关状态，发送应答信号。特点：采用单片机异步串口通信方式，具有较高的显示正确率。但对于本设计任务，考虑到耦合能量有限，不足以驱动单片机。课题设计——方案论证与比较（Cont.）方案二采用PT2262编码芯片，与PT2272解码芯片组成无线识别系统。应答器通过四位拨码开关进行卡号设置，PT2262对卡号进行编码并通过耦合线圈发射出去；阅读器通过耦合线圈接收信号并交给PT2272解码芯片译码输出应答器卡号，由发光二极管显示。特点：系统组成简单，成本低，功耗小，且PT2262起始工作电压低非常适合能量供应有限的场合。课题设计——方案论证与比较调制方式论证与比较方案一频移键控（FSK）传输速率快，数据正确率高，但调制电路复杂，成本高，尤其功耗较高，而且解调电路较为复杂。本题目要求低功耗，且对通讯指标要求不是很苛刻，如传输数据正确率≥80%，响应时间≤5S，故不宜选用该方案。方案二相移键控（PSK）与FSK类似。方案三幅移键控（ASK）调制电路简单，功耗较低，常用于简单的低速数据通信，解调电路也十分简单，满足本设计任务要求，综合考虑我们选用该方案。课题设计——总体设计1．阅读器部分（参考）电能由振荡电路产生经后经多级放大电路放大，通过耦合线圈发送出去；阅读器通过耦合线圈接收应答器发送的信号，信号经检波电路检波后送给PT2272串口接收，PT2272对编码信号进行解调后输出识别结果。振荡电路与检波电路是交替工作的